碳纤维的性能与加工

碳纤维的性能与加工

【摘要】

文章介绍了碳纤维的概念、发展与现状、分类，以及碳纤维的性能与加工方法，还有碳纤维的应用。

【关键词】

碳纤维分类性能电化学改性干湿法射频法加工过程应用

【正文】

第一节碳纤维概述

1.碳纤维的概念

碳纤维，英文为Carbon Fiber，简称CF。碳纤维是指由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料，是纤维中含碳量在95%左右的碳纤维和含碳量在99%左右的石墨纤维。

2．碳纤维的结构

碳纤维的分子结构介于石墨与金刚石之间。目前公认的碳纤维结构是由沿纤维轴高度取向的二维乱层石墨组成。微晶的形状、大小、取向以及排列方式与纤维的制备工艺相关。

2.1 结构单元

石墨：六方晶系

碳纤维：乱层石墨结构

最基本的结构单元：石墨片层

二级结构单元：石墨微晶(由数张或数十张石墨片层组成)

三级结构单元：石墨微晶组成的原纤维。直径在50nm左右，弯曲，彼

此交叉的许多条带状组成的结构

2.2 皮芯层结构

CF由皮层、芯层及中间过渡区组成。

皮层：微晶较大，排列有序。

芯层：微晶减小，排列紊乱，结构不均匀。

3．碳纤维的缺陷

3.1 来源

碳纤维中的缺陷主要来自两方面：原丝带来的缺陷与碳化过程带来的缺陷。原丝带来的缺陷在碳化过程中可能消失小部分，但大部分将保留下来，变成碳纤维的缺陷。而碳化过程带来的缺陷则在碳化过程中，大量非C元素以气体形式逸出，使纤维表面及内部形成空穴和缺陷。

3.2 CF中缺陷的观察研究手段：

扫描电镜(SEM)：研究纤维表面缺陷

透射电镜(TEM)：研究纤维内部结构

第二节碳纤维的现状及发展

1．碳纤维的发展简史

1860年，斯旺制作碳丝灯泡。

1878年，斯旺以棉纱试制碳丝。

1879年，爱迪生以油烟与焦油、棉纱和竹丝试制碳丝（持续照明45小时）。1882年，碳丝电灯实用化1911年，钨丝电灯实用化。

1950年，美国Ｗright--Patterson空军基地开始研制黏胶基碳纤维。

1959年，美国ＵＣＣ公司生产低模量黏胶基碳纤维“Ｔhornel—25”，日本大阪工业试验所的进藤昭男发明了ＰＡＮ基碳纤维。

1962年，日本碳公司开始生产低模量ＰＡＮ基碳纤维（0.5吨/月）。

1963年，英国皇家航空研究所（ＲＡＥ）的瓦特和约翰逊成功地打通了制造高性能ＰＡＮ基碳纤维（在热处理时施加张力）的技术途径。

1964年，英国Ｃourtaulds,Morganite和Roii--Roys公司利用ＲＡＥ技术生产ＰＡＮ基碳纤维。

1965年，日本群马大学的大谷杉郎发明了沥青基碳纤维美国ＵＣＣ公司开始生产高模量黏胶基碳纤维（石墨化过程中牵伸）。

1970年，日本吴羽化学公司生产沥青基碳纤维（１０吨/月），日本东丽公司与美国ＵＣＣ进行技术合作。

1971年，日本东丽公司工业规模生产PAN基碳纤维（1吨/月），碳纤维的牌号为T300，石墨纤维为M40。

1972年，美国Hercules公司开始生产PAN基碳纤维日本用碳纤维制造钓竿，美国用碳纤维制造高尔夫球棒。

1973年，日本东邦人造丝公司开始生产PAN基碳纤维（0.5吨/月）日本东丽公司扩产5吨/月。

1974年,碳纤维钓竿、高尔夫球棒迅速发展日本东丽公司扩产13吨/月。

1975年,碳纤维网球拍商品化美国UCC公司公布利用中间相沥青制造高模量沥青基碳纤维“Thornel—P”美国UCC的高性能沥青基碳纤维商品化。

1976年,东邦人造丝公司与美国塞兰尼斯进行技术合作住友化学与美国赫格里斯（Hercules）成立联合公司。

1979年,日本碳公司与旭化成工业公司成立旭日碳纤维公司。

1980年,美国波音公司提出需求高强度、大伸长的碳纤维。

1981年,台湾台塑设立碳纤研究中心，日本三菱人造丝公司与美国Hitco公司进行技术合作。

1984年,台湾台塑与美国Hitco公司进行技术合作，日本东丽公司研制成功高强中模碳纤维T800。

1986年,日本东丽公司研制成功高强中模碳纤维T1000。

1989年,日本东丽公司研制成功高模中强碳纤维M60。

1992年,日本东丽公司研制成功高模中强碳纤维M70J,杨氏摸量高达690GPa。

2．世界碳纤维产业现状及我国碳纤维产业发展

2.1 世界碳纤维产业现状

国际上碳纤维的研制开发源于 60 年代初 ,到进入工业化生产 ,经历了大约十年时间。碳纤维的主要生产国是日本和美国 ,主要消耗的国家和地区则依次为美国、日本和西欧。日本的碳纤维产量约占世界总产量的一半;但其消耗量仅占四分之一 ,美国的碳纤维产量虽然只占世界总产量的40%; 但其消耗量却占世界总消耗量的一半左右。全球碳纤维生产量最大的两家公司均在日本,其中东丽公司( Toray)于 1970 年投产;1989 年的生产能力已达到 2250 吨。1975 年投产的东邦人造丝公司( TohoBeslon ) ,1988 年的产量为 1420 吨 ,1990 年的产量则达到 2020 吨。这两家公司还在美欧等地建有多家生产厂。

2.2 我国碳纤维产业发展

以聚丙烯腈为原丝的碳纤维已广泛应用于航空航天、体育用品及其它工业领域。我国自上世纪60年代开始研制碳纤维以来。已形成了以江苏、吉林、山东和山西等的几块生产基地，产业化企业达10多家。近几年，我国碳纤维行业产能有了较大增长，但实际产量仍很低，质量水平和稳定性同国外产品相比还存在很大差距，尤其是原丝的质量和数量还无法满足碳纤维生产的要求。我国每年仍需从国外进口大量的碳纤维。

我国从上世纪60年代后期开始研制碳纤维，至今已有近40年的历史。到目前为止，工艺路线以一步法为主，纺丝方法除湿法外，也有干湿法，见表l。

我国碳纤维工业的今后发展，应从以下几方面做好工作：1．坚持自主创新发展碳纤维；2．加强“产、学、研”共同开发；3．发挥传统化纤强势企业在碳纤维国产化进程中的作用；4．借助国产腈纶技术基础实现技术多元化；5．碳纤维开发应循序渐进；6．建立适合我国市场特点的技术和产品体系；7．重视碳纤维深加工和碳纤维复合材料制品的开发。

第三节碳纤维的分类

按照不同的标准，可以将碳纤维分为不同的种类。

1．按力学性能分类

通用级CF：拉伸强度<1.4GPa，拉伸模量<140GPa

高性能CF：

高强度CF （HS）

高模量CF （HM）